Polytech Projets Ge

h1=. P13AB09 Relève à distance de compteur d'eau

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16398/p13b09_1_20140115145716_20140115150317.png!

*Entreprise / Client* :

RENESAS electronics

Martins Tolentino Email: tolentino.martins renesas.com

*Responsable Projet* :

Michel JAMES Email: michel.james polytech.univ-bpclermont.fr

*Tuteur industriel* :

Chazelle Gerard Email: gerard.chazelle michelin.com

*Étudiant affecté* :

Wasch Felix Email: wasch.felix gmail.com

Bartholin Emeric Email: emeric.bartholin gmail.com

Dieng Alpha Email : Alpha.Dieng etudiant.univ-bpclermont.fr

---

h1. Sommaire

[[1. Résumé]]

[[2. Abstract]]

[[3. Introduction]]

[[4. Présentation du Sujet]]

p(((. [[1. Présentation générale]]

[[2. Synoptique]]

[[3. Problématiques]]

[[4. Microcontrôleur RL78G14]]

[[5. Cahier des charges]]

[[6. Développement]]

p(((. [[1. Faisabilité]]

[[2. Le capteur]]

[[3. Le programme microcontrôleur]]

[[4. La transmission sans fils]]

[[5. Bilan consommation électrique]]

[[6. Maquette de test]]

[[7. Gestion de Projet]]

p(((. [[1. W.B.S.]]

[[2. Gantt]]

[[8. Notes d'application]]

[[9. Bilan]]

p(((. [[1. Etat d'avancement]]

[[2. Analyse critique]]

[[3. Perspectives]]

[[10. Bibliographie]]

---

h2. 1. Résumé

h2. Le projet consiste en la réalisation d'un système permettant la télé relève à distance de la consommation d'un compteur d'eau.Le client, Renesas Electronics, est un leader international dans le domaine du semi-conducteur et a développé une nouvelle gamme de micro-contrôleurs baptisée RL. Le projet s'inscrit dans la mise en valeur des performances du micro-contrôleur RL78 qui est un micro-contrôleur basse consommation, car le principale challenge de ce projet réside dans la consommation du système à concevoir pour que ce dernier puisse avoir une grande autonomie.

h2. mots clés :

h2. Micro-contrôleur Renesas Electronics RL78

Compteur d'eau ITRON

Communication sans fil

Modulation d'amplitude

Modulation de fréquence

---

h2. 2. Abstract 

h2. The project involves the construction of a system for the TV remote reading of a water meter consumption. Customers, Renesas Electronics is a global leader in semiconductor, and has developed a new range micro-controllers called RL. The project is in the development of performance micro-controller is a low-RL78 microcontroller consumption as the main challenge of this project lies in the consumption of system design so that the latter may have considerable autonomy .

h2. Key Words :

h2. Microcontroller Renesas Electronics RL78

water meter ITRON

Wireless Communication

Amplitude modulation

frequency mdoulation

---

h2. 3. Introduction

h2. Afin de promouvoir leur gamme de microcontrôleurs ultra basse consommation, l’entreprise RENESAS propose un sujet, dans le cadre des projets de fin d’études de Polytech Clermont-Ferrand, option Génie électrique.

RENESAS est une entreprise japonaise basée à Tokyo, 5e fabricant mondial de semi-conducteurs et spécialisé dans les microcontrôleurs.

Le département Génie électrique de POLYTECH Clermont-Ferrand propose chaque année à ses étudiants de 4 et 5es années de réaliser un projet en groupe de 2-3 étudiants de façon quasiment autonome afin de les former aux problématiques de l'ingénieur et de développer un projet dans sa globalité. Ces projets se déroulent sur le 2e semestre de 4es années et le 1er semestre de la 5e année.

h2. *%{color:red}Sommaire%*

---

h2. 4. Présentation du Sujet

---

h2. 4.1 Présentation général

h2. Le but de ce projet est de concevoir un système autonome permettant la relève à distance d’un compteur d'eau de la marque Itron.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16399/photo_compteur_20140115152906_20140115153559.jpg!

h2. Un compteur d’eau possède plusieurs reflets de la consommation d’eau le traversant. D’une part un affichage numérique dont la valeur correspond à consommation d’eau totale sur la vie du compteur. Celui-ci possède aussi une aiguille métallique tournant suivant le débit d’eau. Un tour de cette aiguille correspond à 1 litre de consommation.

Le système à concevoir doit donc réaliser plusieurs objectifs :

h2(((. - Capter le débit d’eau grâce à l’aiguille métallique

- Restituer cette valeur via une liaison sans fil à un récepteur dans un rayon de 10 m

- Stocker de manière fiable et permanente cette valeur afin de la conserver même en cas de rupture d’alimentation du système.

h2. Le défi technique principal de ce projet est de concevoir un système basse consommation qui puisse fonctionner au minimum 10 ans sur batterie.

À travers ce projet Renesas cherche à prouver la portabilité et la faible consommation de son microcontrôleur RL78G14.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16400/final_20140115141031_20140115141320.jpg!

h3=. Figure 2 :Photo du compteur muni du système développé

---

h2. 4.2 Synoptique

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16401/Pb_13b09_3_synoptique_20140115211608_20140115212600.png!

h3=. Figure 3 :Synoptique du projet 

Nous avons spécifié notre système en le scindant en quatre blocs :

h2(((. - Le compteur : Celui-ci est disponible dans le commerce et de marque Itron. Le système réalisé ne doit pas modifier physiquement celui-ci. L’eau traversant le compteur permet de mettre en rotation une aiguille métallique, 1 tour de cette aiguille 1 litre d’eau consommée.

- Le capteur : Partie critique du système il doit permettre la détection de la rotation de l’aiguille.

- Le microcontrôleur : Produits de la famille RL78 de Renesas, permet le traitement des données du capteur afin de déduire la consommation d'eau du capteur . Il permet aussi de stocker cette valeur et de la transmettre au module de communication.

- La communication : Basé sur une liaison sans-fil de types radio fréquence. Permets la restitution de la valeur de consommation à un récepteur située dans un rayon de 10m.

---

h2. 4.3 Problématiques

h2. Le microcontrôleur RL78G14 fait partie de la gamme ultra low power de Renesas afin de démontrer son bon ratio performance/consommation notre application devra utiliser un maximum de ces périphériques afin de limiter le temps de réveil de celui-ci et donc de limité au mieux sa consommation.

L’application se découpera donc en plusieurs phases au niveau temporel :

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16402/frise_temporelle_20140115151102_20140115151331.png!

h3=. Figure 4 :Déroulement temporel de l'application

h2. Les autres problématiques du projet concernent la fiabilité de la méthode de mesure, car celle-ci doit correspondre à la valeur du compteur et aussi sur la fiabilité et sécurité de la liaison sans-fils.

Ces deux points doivent aussi respecter les contraintes de consommation totale du système.

---

h2. 4.4 Microcontrôleur RL78G14

h2. Le microcontrôleur RL78 du fabricant Renesas fait parti de la gamme ultra basse consommation. C'est un microcontrôleur polyvalent spécialisé pour les applications avec de fortes contraintes de consommation électrique.

Le RL78 se décline en plusieurs versions (G12,G13,G14...) qui embarque des périphériques plus ou moins nombreux et évolués.

h2. Pour notre application nous utilisons un RL78G14 présent sur une carte de démonstration fournie par Renesas.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16403/carte_demo_20140115145311_20140115145648.jpg!

h3=. Figure 5 :Photo de la carte de démonstration 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16404/schemablocrl78_20140115145716_20140115150226.png!

h3=. Figure 6 :Schéma bloc et mode d'arrêt du RL78G14

h2. Sur le schéma bloc du RL78G14, on remarque qu'il y a de nombreux périphériques disponibles. Certains de ces périphériques sont utilisés dans notre application notamment, la data flash pour stocker de manière permanente, même en cas de rupture d'alimentation, la consommation d'eau. Plusieurs Timer et DTC (Data transfert contrôleur) sont utilisés afin d'exploiter le capteur de la manière la plus économique possible du point de vue de la consommation électrique.

h2. Le RL78 possède aussi 4 différents modes de marche, seul 3 nous intéresse.

h2(((. - Le mode "opérating" le microcontrôleur est en marche normale c'est le mode consommant le plus environ 1.2mA

- Le mode "Halt" le cœur du microcontrôleur est arrêter, mais tous les périphériques reste en marche ce mode intermédiaire permet de réduire la consommation électrique à environ 0.5mA cette valeur dépend du nombre de périphériques utilisés par l'application

- Le mode "Stop" c'est le mode de marche ultime du point de vue de la consommation électrique tout le microcontrôleur est arrêter sauf certain timer et broche d’interruption permettant de réveiller le microcontrôleur. Ce mode permet d'abaisser la consommation électrique du microcontrôleur à environ 0.0005mA.

%{color:red}Sommaire% 

---

h2. 5. Cahier des Charges

h2. En accord avec le client M.Tolentino nous somme avons défini le cahier de charges suivant.

Le point critique de ce cahier de charges est la consommation électrique moyenne du système qui doit être au maximum de 4µA sous 3V afin d’avoir une autonomie maximum sur batterie.

Les autres fonctions consistent en le développement d’un système de mesure sans contact et qui ne doit pas modifier la structure du compteur et la mise en place d’une communication sans fil pour la relève à distance de la consommation d’eau du compteur.

Plusieurs contraintes ont été défini notamment l’utilisation du microcontrôleur RL78G14 de Renesas ainsi que l’utilisation d’un compteur Itron.

Le projet doit être aussi développé grâce à l’IDE IAR et dans le respect des règles de codages Renesas.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16405/p13b09_2_cahier_des_charges_20140115141801_20140115142737.png!

h3=. Figure 7 :Cahier des charges 

%{color:red}Sommaire% 

---

h2. 6. Développement

h2. 6.1 Faisabilité

h2. L'étude de faisabilité a porté principalement sur la recherche des technologies possibles pour réaliser un capteur compatible avec le compteur. La photo ci-dessous montre la pièce métallique tournant à raison 1L/tours. C'est cette rotation qu'il faut détecter.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16406/P13b09_4_compteur_20140115211608_20140115212703.png!

h3=. Figure 8 :Photo de l'aiguille du compteur

h2(((. Plusieurs méthodes ont été étudiées:

h2(((. - Utilisation d'un capteur optique => rejeter immédiatement, car consomment plusieurs mA donc incompatible avec le cahier des charges

h2(((. - Utilisation d'un capteur inductif réaliser grâce à un réseau LC oscillant dont l'inductance est influencée par la plaque métallique. C’est cette solution qui a été retenue.

h2. Deux types d'inductance ont été testés:

h2(((. - Le premier type est une inductance gravée sur PCB (voir photos ci-dessous). Celui-ci a été rejeté, car l'inductance est trop faible et donc rend la mesure non exploitable.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16407/P13b09_5_capteurpcb_20140115152906_20140115153949.png!

h3=. Figure 9 :Inductance sur PCB 

h2(((. - Le deuxième types est une inductance verticale avec un noyau de ferrites. Celle-ci grâce à une inductance plus forte permettra de rendre la mesure exploitable. 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16408/inductancevertical_20140115154653_20140115154817.png! 

h3=. Figure 10 :Inductance verticale utilisée

h2. Tableau récapitulatif:

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16409/P13b09_5_tableau_recap_20130514213019_20130514214355.jpg!

h3=. Figure 11 :Tableau récapitulatif 

h2. 6.2 Le capteur

h2. Devant la problématique de basse consommation, il nous a fallut partir sur un capteur répondant à cette attente. Nous avons donc opté pour un capteur inductif venant détecter la presence de l'aiguille métallique sur le compteur. Ainsi, si nous arrivions a detecter le nombre de tours de l'aiguille nous arriverions à obtenir la consommation d'eau au litre près.

La détection est effectuée grace à trois bobines qui, placées 120° chacune, nous permet de savoir exactement ou se situe l'aiguille. 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16410/aiguille_20140123174951_20140123175114.png!

h3=. Figure 12 :Aiguilles et Bobines(en rouge)

h2. Son principe de fonctionnement est le suivant:

Lorsque l'on créé une excitation dans la bobine, celle ci se met a entrer en résonance avec le condensateur placé en parallèle.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16411/oscillation_20140123142303_20140123143501.png!

h3=. Figure 13 :Relevé de la sortie capteur sans amortissement 

h2. Elle émet alors un champ magnétique due au oscillations électrique la traversant.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16412/champmagnet_20140123143933_20140123144034.png!

h3=. Figure 14 :Disperssion du champ magnétique autour de la bobine

h2. Si l'aiguille s'avère se trouver en dessous de la bobine, une partie de se ce champ magnétique est absorbé par le conducteur (création de courants de foucault). Et l'amortissement devient plus important.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16413/champmagnetpertrbe_20140123175551_20140123175612.png!

h3=. Figure 15 :Champ perturbé par la présence de l'aiguille et Figure 16 :relevé de la sortie capteur avec amortissement 

h2. On vient alors mesurer cette variation, en venant mesurer le temps de remonté du capteur. voir schéma: 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16414/schemacapteur_20140123144230_20140123144308.png!

h3=. Figure 17 :Schéma électrique du capteur

h2. *Principe d'étalonnage.*

h2. Lors de la toute premiere mise en route de notre système il est essentiel d'étalonner le capteur. Comme tous les composants n'ont pas exactement la meme valeur nous devons définir un seuil de détection par bobine.

A la premiere mise en route nous faisons tourner le compteur, nous venons relever les différents temps de monté du capteur. Nous sélectionnons ceux qui sont bon (voir fonctionnement de la relève). sur les 150 valeurs qui sont collectées nous venons detecter les plus basses et les plus hautes. Les deux valeurs minimales relevées moyénées nous donnera la valeur minimale de notre tranche de capteur, de meme pour la maximale.La difference des deux nous donne l'écart type de nos mesures. pour effectuer la detection de présence ou non de l'aiguille, nous prendrons la valeurs minimale à qui nous rajouterons 30% de l'écart type. Cela nous donnera le seuil d'une tranche.

Exemple: sur la bobine 1 nous mesurons une valeur min de 150 (valeur tu compteur timer du temps de remonté du capteur) et une max de 162.

Ecart type = 12

nous placerons notre seuil de detection à 150+(30%*12)=154

En dessous d'un temps de remonté de 154 nous considérerons que l'aiguille est présente sous la bobine, au dessus qu'elle est absente.

Nous effectuons le meme procédé pour les 2 autres bobines.

h2. *Fiabilité du système*

h2. Lors de nombreux essais nous avons pu determiner que nous ne ratons jamais la présence de l'aiguille. Nous partons sur une erreur de 1 litre sur la durée de vie du compteur. Apres nous n'avons pas pu venir mesurer la fiabilité des composant sur leurs durée de vie. Nous pensons pour cela à ajouter une fonction d'étalonnage "en temps réel" dans les améliorations. Celui ci devrai pouvoir (en fonction de la tension d'alimentation, du nombre de cycle effectué... etc) effectuer un étalonnage des tranches du capteur à plusieurs reprises.

h2. 6.3 Le programme microcontrôleur

h3. 6.3.1 Découpage fonctionnel et déroulement temporel du programme

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16415/decoupage_fonctionnelle_20140115211608_20140115212541.png!

h3=. Figure 18 :Découpage fonctionnel du programme

h2. Le programme du système est découpé en plusieurs modules:

h2(((. - Le premier module permet le réveil 2 fois par seconde du système

- Le deuxième module gère l'excitation et la sélection des capteurs en utilisant uniquement des périphériques du microcontrôleur (PWM associé à un DTC)

- Le module de mesure utilise un timer en mode input capture pour réalisé la mesure de la sortie capteur et stocke en mémoire RAM toutes ces données.

h2. Au bout d'une cinquantaine de phases de mesure, plusieurs fonctions sont exécutées:

h2(((. - La première fonction détermine la consommation d'eau qu'il y a eu sur les mesures stockée en mémoire

- La deuxième fonction permet le stockage en mémoire flash de la nouvelle valeur de consommation d'eau

- Le dernier module permet la mise en forme et l'envoie de la consommation d'eau grâce à une liaison sans fils

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16416/deroulementprogramma_20140115185708_20140115185727.png!

h3=. Figure 19 :Déroulement temporel du programme

h2. Le programme ce déroule en deux phases la première permet les mesures et le remplissage de la table mémorisant celle-ci, la deuxième phase permet le traitement des mesures, le stockage et l'envoie de la consommation d'eau.

h3. 6.3.2 Exploitation du capteur

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16417/oscillogrammemesure_20140115191822_20140115191911.png!

h3=. Figure 20 :Oscillogramme d'un cycle de mesure

h2. Sur l’oscillogramme ci-dessus on peut remarquer les 3 mesures pour les trois bobines entrecoupées de parasites provenant de la phase de sélection des capteurs. Ces parasites seront filtrés numériquement lors de la phase d'exploitation des mesures.

La mesure du temps de remonté du signal est réalisé grâce un timer utilisé en mode "input capture" qui mesure le temps à l'état bas du signal, le seuil de déclenchement est situé à VDD/2

h2. Le temps d'un cycle de mesure est de 535us réalisé 2 fois par seconde. La phase de mesure occupe donc le microcontrôleur environ 0.1% du temps.

h3. 6.3.3 Exploitation des mesures

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16418/exploitation_20140115222915_20140115222931.gif!

h3=. Figure 21 :Animation exploitation des mesures

h2. Grâce à la technique d'exploitation décrite par l'animation ci-dessus il n'y a aucune perte d'information si l'aiguille du compteur ne tourne pas trop vite par rapport à la fréquence d’échantillonnage.

h3. 6.3.4 Consommation d'un cycle de mesure

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16419/conso_mesure_20140115213710_20140115213734.png!

h3=. Figure 22 : Consommation d'un cycle de mesure

h2. On voit sur le graphique ci-dessus que c'est l'excitation des capteurs qui consomme le plus lors d'un cycle de mesure. 

h3. 6.3.5 Taux de charge 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16420/tc_20140115211450_20140115211519.png!

h3=. Figure 23 : Taux de charge du microcontrôleur

h2. Un cycle de fonctionnement du système dure 50 secondes ( temps entre 2 envois de la consommation). On déduit sur un cycle de fonctionnement le taux de charge du microcontrôleur.

h2. Celui-ci est de 0.33% ce qui est très faible. On peut déduire de cette information que la consommation du système en mode "Stop" est très importante.

h2. 6.4 La transmission sans fils

h2. Les phases de mesure et de traitement de la consommation réalisés, il nous restait plus qu'à restituer cette dernière en effectuant la télé relève à distance.

Soumis à des contraintes de consommation, nous sommes partis sur un système de transmission composé d’un module QAM-TX3 pour l’émetteur et QAM-RX3 pour le récepteur.

h3. 6.4.1 Présentation des modules 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16422/QAM_TX3_20140119172914_20140119174314.PNG!

h3=. Figure 24 :transmetteur RF QAM-TX3

h2. Le module émetteur QAM-TX3 est un émetteur radio fréquence qui peut être utilisé pour transmettre des données jusqu'à un débit de 3KHz sur les bandes 315 ou 433 MHz. Ce module est très simple à utiliser et offre une plage de tension de fonctionnement large, la puissance de sortie RF augmente en fonction du niveau appliqué au module de tension. Les données peuvent être alimentées directement à partir d'un microprocesseur, gardant ainsi le nombre de composants vers le bas et en assurant un faible coût matériel.

p=. !!

h3=. Figure 25 :récepteur RF QAM-RX3